毕业设计（论文）-曲轴轴颈尺寸测量原理的研究与系统设计.doc

曲轴轴颈尺寸测量原理的研究与系统设计摘 要：曲轴作为汽车发动机关键零件，其质量和性能在很大程度上决定和制约了整机的质量和性能。近年来曲轴制造技术发展很快,数控机床柔性加工以及曲线加工等自动化生产线相继投入使用,然而我国大多数企业对曲轴生产过程中的检测方法尚停留在抽样手工检测阶段。目前国内只有少数厂家有能力引进曲轴自动检测系统，但由于价格昂贵，以及其检测精度标准与我国现有加工水平不相匹配,国内曲轴生产厂家急需拥有自主知识产权、适合国内技术水平和经济能力的曲轴自动检测设备。 本文首先介绍了国内外曲轴测量的发展现状，通过对各种测量原理的对比提出曲轴测量仪的总体设计方案。本次设计的曲轴测量仪主要由丝杠螺母副传动机构组成的纵向运动机构和横向运动机构，蜗杆蜗轮减速器，减速齿轮组，以及装夹定位机构。论文主要进行仪器的机械结构设计，ccd摄像头按需要购买。该仪器工作稳定、效率高、基本解决了传统检测方法的各种弊端，为曲轴的自动检测开辟了新的解决途径，为精密轴类零件的非接触式检测奠定了基础，同时拓宽了ccd检测方法的应用领域。关键词：自动检测，曲轴，非接触式，ccd，尺寸测量，abstract：as key parts of vehicle engines, crankshaft largely determine the quality and performance and constraints of the machines quality and performance. crankshaft manufacturing technology has developed rapidly in recent years, cnc flexible manufacturing and automated production lines, curves and processing have been put into use, however, the majority of our business-to-crankshaft production process still remain in the sample detection method for manual testing phase. currently only a few manufacturers have the ability to bring crankshaft automatic detection system, but expensive, and its detection accuracy standards and the level of processing does not match the existing, domestic manufacturers need crankshaft with independent intellectual property rights, appropriate technology and economic capacity of the domestic crankshaft automatic test equipment. this paper introduces the development status of domestic and foreign crankshaft measurement, measuring principle by comparison of the various proposed crankshaft measuring the overall design. the design of the crankshaft gauge screw nut mainly composed of vertical transmission and horizontal movement mechanism motion mechanism, the worm - worm gear reducer, reduction gear group, clamping and positioning mechanism. paper the mechanical design for equipment, ccd camera, according to need to buy. the instrument is stable, high efficiency, basically solved all the disadvantages of traditional methods for automatic detection of the crankshaft opens up new solutions for the precision shaft non-contact detection of the foundation, while broadening the ccd detection method applicationskeywords: automatic measuring system, crankshaft, non-contact, ccd, dimension measuring.目 录1 绪论11.1本课题研究的目的与意义11.1.1论文研究背景11.1.2论文研究意义21.2国内外发展与现状31.2.1曲轴自动检测技术国内外研究现状31.2.2 ccd测量技术应用现状41.3论文研究的内容62 曲轴自动检测方案的制定72.1 引言72.2 曲轴检测参数要求72.3各种尺寸检测方式的研究82.3.1 坐标测量机技术研究82.3.2超声波测量技术研究82.3.3 激光测量技术研究92.3.4 ccd测量技术研究102.4 ccd简介3334122.4.1 ccd的组成及结构122.4.2 ccd的分类132.4.3 ccd的工作原理142.5 曲轴自动检测总体方案142.5.1 曲轴检测系统的组成142.5.2 曲轴检测系统的工作原理152.6 本章小结163非接触式曲轴轴颈检测仪结构设计173.1引言173.2 支撑机构设计173.3 曲轴旋转机构设计183.3.1 联轴器的选用203.3.2 减速器的设计213.3.3 蜗杆设计223.3.4 蜗轮设计223.3.5 手轮的设计233.3.6 减速器支架设计243.4 ccd进给机构设计253.4.1 x方向运动机构设计263.4.2y方向运动机构设计263.4.1 导轨的设计273.4.2 丝杠的设计283.4.3 齿轮的设计293.5 步进电机的选择303.5.1步进电机4549303.5.2电动机支架323.6位置传感器5153343.6.1 位置传感器343.7本章小结344结论与展望354.1工作总结354.2 未来研究工作的展望36参考文献37致 谢40iii1 绪论1.1本课题研究的目的与意义1.1.1论文研究背景当今世界汽车工业在知识经济的推动下，伴随着经济全球化的浪潮，正向着产业集中化、技术高新化、生产精益化的趋势发展。美、日、德的汽车产量占据了世界汽车产量的51%以上，并呈上升势头，跨国汽车公司并购浪潮风起云涌。传统的汽车主体技术，机构技术以及零部件制造技术将由微电子信息技术、新材料、新能源、自动加工流水线等高新技术所取代，新一代汽车将成为轻便化、安全化、环保化、智能化等高新技术的集成体。新一轮汽车工业的发展将不仅带动相关传统产业的发展，而且更加有力地促进高新技术的发展。质量和成本始终是市场竞争的焦点，千方百计提高汽车质量，降低汽车成本是市场提高公司竞争力的根本所在。因此，生产精益化是伴随汽车工业走向未来的永恒主题。在世界汽车产业不断发展和影响下，中国的汽车市场需求正在高速增长，世界上主要的外国汽车制造企业全都以合资方式进入了中国，而国内除了已有的众多汽车企业，还有更多的地方和企业纷纷摩拳擦掌准备进入汽车工业。在这种“混乱”状况的背后是正在日益临近的危险：在中国加入wto的承诺下，中国政府对本国汽车工业的保护将大幅度减少，市场越来越开放，从而使中国汽车工业柔弱的软肋日益暴露在强大的竞争对手面前。在这种关键的时刻，转向以自主开发为主是使中国汽车工业走上健康发展之路的惟一途径。在中国汽车工业发展的进程中，汽车零部件的国产化，成为自主研发国产汽车的先决条件。改革开放以来，我国汽车零部件工业迅猛发展，特别是近几年来的发展速度加快。据中国汽车工业年鉴对主要零部件工业企业的统计，2002年实现工业总产值1424.1亿元比1997年增长182.8%，平均每年递增23.1%，而整个汽车行业平均每年仅递增20.3%；2002年实现利润总额106.3亿元，比1997年增长321.8%，平均每年递增33.4%，略低于全行业平均每年递增37.3%的增长速度。由此可见，我国汽车配件行业保持了高速增长的局面1。发动机作为汽车的动力来源，也是整车的核心部件，其性能的好坏直接决定汽车各方面的性能指标。而发动机曲轴是发动机中承受冲击载荷、传递动力的重要零件，是决定汽车发动机整体性能的关键之一，也是在发动机五大件中最难以保证加工质量的零部件。它直接关系到汽车发动机的寿命、振动和噪声等方面的指标，因而曲轴的加工质量受到国内外厂商的重视。由于曲轴工作条件恶劣，因此对曲轴材质以及毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。其中任何一个环节质量没有得到保证，则可严重影曲轴的使用寿命和整机的可靠性。世界汽车工业发达国家对曲轴的加工十分重并不断改进曲轴加工工艺。随着wto的加入，国内曲轴生产厂家已经意识到势的紧迫性，为了提高曲轴的制造技术水平和产品的整体竞争力，相继引入了自动柔性流水生产线、数控机床、曲线加工生产线等世界先进设备。可以说，部分国内曲轴生产厂家基本已经实现了曲轴生产的自动或半自动化。从铸铁到成品曲轴大致需要经过熔炼、铸造、锻造、粗加工、精加工、热理和表面强化处理等工序。为了确保曲轴的精度和质量，每完成一道工序都要曲轴进行在线或离线检测。尤其是经过锻造工序后，曲轴的外形尺寸对后面的工工序有很大的影响。由于我国目前的冶金材料和锻造加工技术还比较落后，得曲轴锻件产品成型的稳定性不高，曲轴锻件的质量得不到保证。因此，对曲锻件外形尺寸的检测显得十分重要。目前国内曲轴生产厂家对曲轴锻件的检测然停留在抽样手工检测阶段。由于曲轴的生产量大，生产周期短，这种手工检方式不仅在速度上远远不能适应曲轴生产需要，而且由于使用一般的机械量具电动量具，在检测项目上也无法满足曲轴关键参数的全面检验，很多重要参数曲轴的圆度、圆柱度、空间相位角、主轴之间的同轴度等因缺少合适的手段而法检验，实现曲轴的在线测量和在线质量控制则更不可能2。1.1.2论文研究意义目前世界上已经研制出很多具有先进水平的检测设备，而且大多数已经应用于各类零部件生产的检测环节中。但是这类检测设备价格昂贵，而且技术性能要求高，无法与我国的实际制造水平相匹配。这使得国内的生产制造厂家很难接受国外的先进检测设备。为了适应我国汽车零部件生产的现代化、自动化、国产化的发展趋势，进一步完善汽车零部件生产过程中的检测措施，国内零部件生产厂家急需拥有自主知识产权、适合国内技术水平和经济能力的自动检测设备3。本课题的提出，正是为了满足国内生产厂家对自动检测设备的需求，以及为了解决曲轴锻件成型后在检测环节中传统检测方法的各种不足。在论文中，根据目前国际上比较先进的检测方式提出设计方案，该方案从根本上区别于传统手工曲轴检测方法，将具有较好的开放性，可以推广应用于所有轴类零件的自动尺寸检测中。按照设计方案开发出来的检测系统，应用于生产流水线将可以实现零部件的在线检测，大量缩短生产的检测时间，还可以应用于这些零部件的半成品的检测，比较适应国内企业提出车间生产系统的需求。同时，该检测系统将会对生产厂家的生产效率和生产加工质量的控制，以及防止大批量废品的出现，避免人力物力浪费，降低生产成本等方面提供良好的保障。课题中将ccd摄像机用于采集曲轴图像信息，利用计算机图像处理技术获取曲轴的外形特征，这种检测方式的精度可以达到很高的要求，不仅可以满足曲轴锻件的检测，还可以应用于对精度要求更高、结构更复杂的轴类零件的检测，尤其是真对于复杂结构零件很多尺寸无法测量的问题具有良好的解决能力。在设计过程中该检测系统可以完成曲轴零件的自动定位、曲轴图像的自动获取,因而具有较高的自动化程度4。1.2国内外发展与现状1.2.1曲轴自动检测技术国内外研究现状检测和检验是制造过程中最基本的活动之一。通过检测和检验活动提供产品及其制造过程的质量信息，按照这些信息对产品的制造过程实施控制进行修正和补偿活动，使废、次品与返修品率降到最低程度，保证产品质量形成过程的稳定性及其产出产品的一致性。传统的检测和检验方法主要依赖人力手工方式完成。它既费时又耗资，使生产周期增长，生产成本增加，而且经常包含有人为误差而影响测量精度。因此，不能依赖这种信息实现实时或在线过程控制。新的检测和检验方法常常是以多种先进的传感技术为基础的，且易于同计算机系统结合。在适合的软件支持下，这类自动化检测或检验系统可以自动地完成数据采集、处理、特征提取和识别，以及多种分析与计算56。在发动机曲轴的自动检测领域中，国外很多有实力的公司都开发研制了有不同特色的曲轴检测检测设备。德国霍梅尔有限公司开发的曲轴全自动综合测量机可以在50秒内完成一根曲轴(成品)上近100个参数的检测，检测精度在0.001mm以上，并可以完成主轴颈和连杆颈直径尺寸的分级打标记和自动分选功能。该公司开发的曲轴检测设备已经向系列化方向发展，按测量内容不同，该公司可提供从微观(如粗糙度、波纹度)到宏观(如尺寸、形位公差)的各种误差的检测设备；按测量方法不同，可以提供接触式(如电感测量)和非接触式(如光学扫描测量)等不同测量方式的检测设备。日本东京精密公司开发了一种新型三坐标测量机，这是一种可移动式三维光学测量装置，它利用干涉条纹图像和三角测量方式进行非接触测量。机内装有三台摄像机，可对220mm(纵向)330mm(横向)视野内的物体位置坐标进行每秒最大密度为4点/mm2的扫描，3040秒钟即可计算处理完毕，测量精度为60m。该机利用了一种新型数据处理技术，例如，按0.5mm间距测量相当于150mm500mm的发动机曲轴的数据，包含各个测量工序在内，总共只需2分钟即可完成测量作业，并对数据进行解析处理。德国mahr公司近期也推出了一台多功能测量机，它在圆度测量机的基础上，附加了坐标测量机的功能。作为圆度测量机，要求具有良好的高精度回转轴和z轴驱动机构，然后将长行程y轴与x轴的驱动机构与之组合起来，采用转环式测头，这样该机即具有坐标测量机的功能。这种测量机可测量圆度、圆柱度、平行度等几何误差，也可测量直径、级差等长度和角度。该机的测量范围为300(x)600(y)700(z)mm，测量长度时的精度u1=1.2+l/500m，u2=1.5+l/300m，u3=2.0+l/300m。此外，世界上工业发达的国家都进行了自动曲轴检测设备的开发，他们生产的检测设备主要技术参数及性能见表1.1。由这些技术参数可知，国外的先进检测设备普遍具有精度高、检测速度快等优点。但是由于这些设备的价格定位比较高，所以目前国内厂家能够引入这些设备的不是很多2。 反观国内现状，大多数厂家的曲轴检测环节仍然停留在手工抽样的检测方式。如前所述这种检测方式存在很多弊端。虽然国内有些科研技术单位也在从事自动曲轴检测设备的开发工作，但是这些产品在技术性能上与国外仍有一定差距，主要体现在测量精度低，测量效率低，测量项目少，整机可靠性差等方面。虽然价格便宜，但是测量结果达不到生产要求。由于以上这些差距的存在，最终影响了国内用户对国产曲轴自动检测设备的信赖3。 表1.1 国外曲轴测量设备技术参数1.2.2 ccd测量技术应用现状自ccd于1970年在贝尔实验室诞生以来，ccd技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，ccd传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、抗电磁干扰能力强、寿命长、图像畸变小、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用。ccd测量技术的具体应用体现在如下一些方面7。零件尺寸的精确测量：1997年，j.b.liao等将ccd摄像系统应用在三维坐标测量机(coordinate measuring machine，cmm)上，实现了三维坐标的自动测量。由于测量系统中只用到一个面阵ccd，从而简化了测量系统结构，降低了系统成本，并能避免因光衍射而造成的边缘检测误差，可用于工件三维尺寸的精确测量。之后v.h.chan和c.bradley等人又提出了一种同时利用ccd和探头的复合传感器的自动测量方法，该方法的智能程度较高，可高效测量形状复杂工件的三维尺寸，并可根据测量数据构造工件的cad模型，但算法和立体匹配精度有待提高。以上测量系统虽然因引入ccd技术而得到明显改进，但仍属于接触式测量，无法准确测量某些弹性和软性工件。最近，p.f.luo等人用ccd摄像头代替cmm的探头，结合激光测距技术实现了对零件尺寸的非接触精确测量。该方法利用激光测距器进行距离校正，有效地提高了检测精度89。微小尺寸的测量：检测bga(ball grid array，球栅阵列)芯片的管脚高度是否共面的问题，在微小尺寸测量领域一直较难得到满意结果。最近，c.j.tay等改进了先前的测量方法和算法，提出了一种基于光学阴影简便测量bga管脚高度的方法。该方法利用激光对被测芯片的管脚进行倾斜照射以产生管脚阴影，管脚及其阴影由带远焦显微镜的ccd相机采集后，输入计算机，由计算机软件根据影和像的相互关系计算出管脚高度。近年来，将ccd技术和莫尔条纹、数字全息、电子斑点干涉等技术相结合，使精确测量微小尺寸的技术正成为一种具有很大潜力的研究发展方向1011。三维表面测量：由于ccd传感器能同时获取被测表面的亮度和相位信息，因此，将ccd和计算机图像处理技术与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体形变、振动和外形。随着ccd工艺水平的提高，面阵ccd被广泛应用于三维表面测量。但是，在条纹图样投影法中采用相变技术时，只能检测静物表面轮廓，不适用于实时检测振动和变化的表面形状。为此，c.j.tay等人建立了对低频振动的物体表面进行三维检测的系统，该系统由振荡发生系统、液晶显示条纹发射器、特殊远心镜头、高速ccd、图像采集卡和计算机组成。系统所用的远心镜头可以保持放大倍率为常数，使测量结果与被测物体和ccd之间的距离无关，从而减小了测量中物体振动时因为景深改变而产生的测量误差。同时，采用相扫描方法逐点计算条纹图样相位，可以实时获取被测对象的振动频率和振幅，即时重建物体的表面轮廓，其测量精度可达振幅值的1/500。但该系统只能测量阳纹平面，且要求有高质量的正弦发射条纹和ccd的图像采集频率大于被测物体的振动频率。随后，他们又在阴影莫尔条纹干涉法中应用类似方法测量振动物体的三维表面，取得较好效果。尽管该方法比数字全息法简单实用，且对测量环境的要求相对较低，但测量范围受到ccd采集速度的限制，对高速振动和无规则形变的物体表面测量并不实用1213。除此以外，ccd在形变测量、机械磨损度测量、高温测量等领域都有很好的应用，为解决各种实际问题作出了很大贡献。综上所述，ccd应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，ccd图像传感器的性能也在迅速提高，将ccd技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测量技术水平和智能化水平，因此，ccd技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用14。1.3论文研究的内容本课题研究内容是通过对现有的各种自动检测技术的分析和对比，制订出一套应用于曲轴自动检测的行之有效的方案。该方案可以满足曲轴生产厂家的检测要求，可实现各种不同型号的曲轴检测。该方案的自动化程度较高，使劳动者从繁重的手工检测方式中解脱出来，节省时间、提高精度。同时由于成本低廉、经济实用等优点，可以被各类大中小型曲轴生产企业所接受。具体的研究内容如下：通过对现有的曲轴外形尺寸检测方法的分析和论证以及根据曲轴厂家对检测精度和检测项目的要求，得出最适合国内生产厂家的曲轴检测方案。根据提出的方案制订具体的实施措施。依照ccd对曲轴图像的采集方式以及ccd和曲轴的运动方式设计工作台的机械结构。2 曲轴自动检测方案的制定2.1 引言随着工业生产自动化技术水平的不断发展，与产品检验相关的各种自动检测设备也孕育而生。目前较为成熟的产品在线或离线检测设备种类繁多，各种先进的检测技术也在不断的更新。针对国内曲轴零件的检测标准，要制定出适应国内技术水平和经济条件的曲轴自动检测方案，首先要对各种检测技术进行一定的研究。通过分析这些检测技术的优缺点以及应用范围制定出最合理的检测方案。目前广泛应用于尺寸测量的检测技术按测量方式不同可分为接触式和非接触式。接触式测量技术主要包括手工量具测量技术、位移传感器测量技术以及坐标测量机技术等。非接触式测量技术主要包括超声波测量技术、射线测量技术、激光测量技术、红外测量技术、微波测量技术以及ccd光学测量技术等。一般说来接触式测量技术比较适用于产品的离线检测环节，而非接触式测量适用于产品在线检测1517。通过对坐标测量机、超声波测量技术、激光测量技术和光学测量技术等方法的研究比较，最终得出光学测量技术以其测量精度高、适用范围广、结构简单、经济实用等优势成为曲轴检测理想方案的结论。随后依照曲轴检测参数要求制定了基于ccd的非接触式曲轴自动检测系统。2.2 曲轴检测参数要求课题的研究是针对国内某曲轴生产厂家所生产的各型号曲轴锻件进行综合尺寸检测。检测内容包括：曲轴锻件图纸标注的主要轴向尺寸，检测精度0.10mm；曲轴锻件图纸所标注的主要径向尺寸，检测精度0.10mm；曲轴主轴和连杆轴颈中心距，检测精度0.10mm；曲轴锻件主轴或连杆轴颈的同轴度，检测精度0.20mm；重复检测同一曲轴各尺寸的重复精度0.20mm；单根曲轴检测时间小于5分钟。图2.1是所需测量的曲轴结构图。 图2.1 曲轴结构图对曲轴锻件自动检测系统硬件的要求：系统应适用于多种曲轴锻件的检测(其具体参数由原台架机械结构决定，长度300600mm)；检测时能根据不同的曲轴，实现手动装夹、自动定位，定位精度0.1mm；被测工件可360旋转，能定位在任意角度，定位精度0.1；采用的技术或硬件尽可能通用，硬件易于购买，便于维护、维修。对曲轴锻件自动检测系统软件要求：操作简单，运行可靠；可以显示测试数据，打印全部测试结果或局部检测结果，保存测试记录；厂方工作人员可对软件系统针对其它曲轴锻件型号进行编程并检测。2.3各种尺寸检测方式的研究2.3.1 坐标测量机技术研究 传统的几何量测量技术中，测量仪器的主要原理是通过机械方法产生一维或二维的长度变化与标准长度、标准直线或曲线进行比较。例如圆度仪是通过精密轴产生了高精度的标准圆，通过被测圆与标准圆的比较，得到被测量圆的圆度误差。坐标测量机技术是基于空间点坐标的采集和计算，将测量得到的被测物体几何参数与相应几何形状的数学模型参数进行比较，使坐标测量机可以测量各种形状的工件参数。这种技术具有灵活方便，一机多能，测量结果稳定性和重复性好等特点，因此，得到越来越广泛的应用18。 坐标测量机属于接触式测量范畴。它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。测量过程中，首先将各种几何元素的测量转化为这些几何元素上的点集坐标位置的测量，然后再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状和相对位置等，它的坐标测量精度可以达到m量级。 坐标测量机的数据采集主要有触发式、连续式和飞测式。前两种方式采用传统的接触式测头，测量时需要测头与物体表面的接触，这就大大限制了测量效率；基于光学非接触测头的飞测方式可以避免测量过程中测头频繁复杂的机械运动，从而可以获得较高的测量效率。坐标测量机的优点是测量精度高，可对复杂形状工件进行测量。但是坐标测量机需要对被测工件的每个关键点进行逐个采样，这样势必会影响测量速度。而且它对客观环境要求较高，不能实现在生产车间进行在线检测。此外，由于坐标测量机的机械定位范围小，很难应用于类似曲轴这种大尺寸零件的测量。基于以上缺点，这种测量技术并不适合曲轴铸件的检测18。2.3.2超声波测量技术研究超声波测量技术是一种传统的非接触测量方法，具有不受光及电磁场等外界因素的影响，具有适应较恶劣环境(如空气中含粉尘)的能力，并且它比一般非接触式测量方法更易获得近距离的时间信息，测量精度高，例如在机器人接近视觉传感器中就使用了超声测距的方法。超声测量技术的原理如图2.2所示。发射信号由被测工件反射后被换能器接收，从发射信号到接收到反射信号有一定时间间隔，根据声波传输的速度和回波信号的时间，即可算出探头到工件的距离，由工件上某两个位置到探头的距离差即可得出工件的尺寸。 图2.2 超声波测量技术原理图在工业生产方面，超声波的典型应用是金属的无损探伤和超声波测厚。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定的安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。超声波测量技术的主要优点是不受周围光及电磁场的干扰、工作间隙大，对恶劣环境有一定的适应能力，非接触式测量，精度高，价格适中。由于有上述一系列优点，这种测定方式发展较快，是目前投入应用最多的一种。但这种测定方式也有一些缺点，如受声速、环境介质等因素的干扰较大，抗干扰能力差，测试电路复杂等，必须进行多种补偿才能获得较高精度。此外，由于从传感器出来的超声波无法限制在一定宽度范围内，随着传感器与被测零件之间距离的增加，其宽度也随之增大，从而不能检测出被测零件各处凹凸变化的具体位置。而在曲轴的检测中，最需要得到的检测信息就是各个部分的截面具体位置，超声波无法取得这些位置的信息就不能实现检测的目的，所以它不适合曲轴的检测19。2.3.3 激光测量技术研究在非接触式测量中，激光测量技术是目前应用较多的测量方法之一。激光测距，是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测量技术在尺寸检测方面按照光学原理的不同可分为激光衍射测量法、激光三角测量法和激光扫描法等2022。目前应用较多的是激光扫描测量法，这种方法是利用激光束扫描被测零件，从而测出物体的尺寸。图2.3是采用激光扫描法测量圆轴直径的示意图，图中f为物镜系统焦点，激光光束投射在可动反射镜上的投射点位于光学系统的主光轴上，并以此点作为可动反射镜的转动轴。当可动反射镜处于实线位置时，激光光束穿越过被测零件的上方，由透镜成像在探测器上；当反射镜转到虚线位置时，光线从被测零件下方通 图2.3 激光扫描法原理图过，探测器上又接收到光信号。因此，当反射镜以恒定的速度连续转动时，从光电探测器输出的信号波形图(如图2.4)上可得到根据整形后的脉冲宽度t及反射镜的转动速度v，即可测得零件的直径。 图2.4 信号波形图激光尺寸测量技术发展的较为成熟，测量精度可达0.5 m，而且分辨率高，测量范围大，抗干扰能力强。但是采用这种测量技术会造成系统设备结构复杂，价格昂贵，不利于维护，对环境指标要求较高的弊端。因此这种检测方式并不能成为曲轴锻件检测的理想方案2325。2.3.4 ccd测量技术研究 随着ccd制造技术的飞速发展，在非接触式测量领域中又增添了一位最有活力的成员。ccd是英文名称的缩写，它的全称为charge coup device，译名为电荷耦合器件，是七十年代初发展起来的一种新型的半导体器件。经过几十年的不断更新与发展，到目前为止，其应用范围已非常广泛，涉及到航空航天、广播摄像、工业视觉、尺寸测量等众多领域。ccd作为一种新型的光电器件(或称摄像器件)，它具有体积小、功耗低、动态范围大、灵敏度高等特点，因而在计量领域中也得到了广泛的应用。尤其是它与光学系统组合后，使光学传感器又提高到了一个新的水平2628。在过去的几十年里,在计量仪器中,光学仪器是受人们喜爱的测量仪器之一，因而得到了广泛的应用。但由于光学仪器必须用人眼来瞄准或读数，容易造成人为的瞄准误差。所以近年来，随着电子数显传感器的发展，光学仪器已逐步被数显仪器所替代。随着ccd的开发与应用，光学仪器又有了新的生机。人们利用ccd来取代投影屏，不但消除了人为的误差，而且还可以使测量结果数字化。其基本测量原理如图2.5所示，这是在传统的光学测量方法中，将ccd放在投影面后形成的。首先光源经聚光镜后发出平行光照射被测物体，并经成像物镜将其成象到投影面上。然后，即可瞄准和读数。如果用传统的方法，用人眼来观看投影面以进行瞄准和读数，由图2.5可知，人眼的分辨力一般在0.0360.072mm之间，因而分辨力较低。现在，将ccd置于投影面上，那么由于ccd的象素间距可减小到0.007mm，从而使瞄准和读数精度提高510倍2931。 图2.5 ccd测量原理图 针对于本课题研究的内容，ccd测量技术在精度上可以达到检测要求，而且检测精度可以通过使用不同型号的ccd和透镜来进行调节。通过ccd摄像法检测零件尺寸可以在很短的时间内获得效果理想的图像信息。这种检测技术对环境要求不高，性能比较稳定，灵活性高，可以根据实际情况对系统尺寸进行调节以适应对不同零件的测量。以ccd为测量元件的系统，结构简单，维护方便，价格适中，适合对大尺寸、结构复杂的零件的测量。此外，随着图像处理技术的发展，许多图像处理的相关算法已经非常成熟，这样可以通过软件编程对ccd采集的图像进行处理，以弥补由硬件或被测零件本身产生的误差和不足。例如，由于曲轴锻件的表面粗糙不平，造成采集的图像轮廓凹凸不平很不规则，不能直接用来进行尺寸计算，但是利用图像处理技术可以将不规则的边缘拟合成为光滑曲线，通过这种方法不但可以去除图像边缘中的噪点，而且拟合出来的光滑曲线可以直接进行尺寸计算。从以上的研究分析来看，虽然ccd测量技术在单项指标中并不是最优秀的，但是它的整体性能非常适合曲轴锻件的检测32。综合对前面各种测量技术的研究，以及对检测要求、成本、系统实现难易程度和检测曲轴的扩展性等多方面的考虑，利用ccd摄像取得曲轴检测信息，从而达到非接触自动检测目的的方案，是实现曲轴检测较为适合的方法。2.4 ccd简介3334ccd是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在ccd内作定向传输而实现自扫描。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮等诸多领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展35。2.4.1 ccd的组成及结构ccd图像传感器是按一定规律排列的mos(金属氧化物半导体，metal-oxide-semiconductor)组成的阵列，其典型结构以及各部分的名称如图2.6所示。在p型或n型硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极(栅极)，形成规则的mos电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了ccd芯片。 图2.6 ccd结构示意图ccd主要由三部分组成：主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的mos电容器它的作用是存贮和转移信号电荷；输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，它的作用是将信号电荷引入到ccd的第一个转移栅下的势阱中；输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用是将ccd最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引入，并检出电荷所输运的信息。每个光敏元(像素)对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3，所有电极彼此间离得足够近，以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟脉冲1，所有的2、3也是如此，并施加时钟脉冲2、3。这三个时钟脉冲在时序上相互交叠26。ccd不同于多数以电流或电压为信号的其它器件，其突出的特点是以电荷为信号，工作过程包括信号电荷的产生、存储、传输、与检测。2.4.2 ccd的分类虽然所有的ccd都是基于同一种工作原理，但是ccd器件有许多类型，适用于不同的场合。根据像元排列形状的不同，ccd有面阵和线阵之分：光敏元排列为一行的称为线阵ccd，主要用于扫描仪和传真机；面阵ccd器件的像元排列为一个平面，它包含若干行和列的结合，主要用于摄录一体机、监视摄像机和数码相机等。按使用场合的不同，ccd芯片又有彩色和黑白之别，彩色ccd有bayer滤色器彩色ccd和复合滤色器彩色ccd等3637。 图2.7 面阵ccd的结构类型 面阵ccd图像传感器有三种最普通的结构形式，如图2.7所示。 行间转移式(interline transfer)，又称隔列转移式。采用光敏区与转移区相间排列的方式。在信号读出时，两列之间的掩模存储区域用来存储图像，而新图像开始在没有掩模的列积累。缺陷是光敏元有效受光面积小；另外，一部分图像落在光的非接受区，从而降低了灵敏度和分辨率。 帧转移式(frame transfer)。它由三部分组成：光敏区、存储区、水平读出区。在存储区及水平读出区上面均由铝层覆盖，以实现光屏蔽。光敏区与存储区ccd的列数及位数均相同，而且每列都是互相衔接的。积分周期结束时，利用时钟脉冲将光敏区的一场信息快速移动到存储区；然后，光敏区重新开始另一场的积分，与此同时，转移到存储区的信息逐行向水平ccd转移，再由水平ccd快速读出。这种结构可在高帧速下操作；全帧式(full frame)。它没有掩模存储区域，光敏区与寄存器组合工作，光敏区积分后电荷直接转入水平读出寄存器。全帧式ccd具有空间高分辨率，为了防止在读出信号时产生拖尾现象，全帧式ccd需要安装快门以进行控制。2.4.3 ccd的工作原理ccd的工作原理是由外部信号作用于ccd的感应元件上，从而产生电荷，再经过存储电荷、转移电荷、读出电荷，最后得到所需要的信息。其图像采集的原理如图2.8所示33。 图2.8 ccd图像采集原理图2.5 曲轴自动检测总体方案2.5.1 曲轴检测系统的组成明确了曲轴锻件外形尺寸信息的采集方式后，根据曲轴检测的技术要求制定了具体的检测方案。该方案以ccd为曲轴外形信息采集的主要元件，以步进电机组为运动控制的执行元件，利用数据采集卡和图像采集卡作为a/d转换接口以实现图像信息和数字信息在微机与各执行元件之间的传输。检测系统可分为硬件和软件两大部分，硬件部分由工作台机械传动机构，步进电机组，光电系统等组成，其中工作台机械传动机构包括：工作台、传动丝杠、齿轮传动机构；步进电机组包括：两台步进电机、两台电机驱动器、位置传感器、数据采集卡；光电系统包括：面阵ccd摄像机及透镜、背景光源、图像采集卡、以及工控微机系统等。硬件部分的结构如图2.13所示。检测系统的软件部分由若干模块组成，主要包括： 图2.9 曲轴监测系统结构图 初始化模块。该模块有两个功能，一个是在检测开始之前判断图像采集卡和数据采集卡的安装情况，另一个功能是在检测开始之前将曲轴和ccd移动到检测初始位置。 运动控制模块。该模块的功能是通过数据采集卡控制步进电机的运动方式，并且要保证实现电机驱动与图像采集的同步。 图像处理模块。此模块内容较多，功能也比较完备，该模块主要功能是通过图像采集卡获取ccd采集的曲轴图像信息，并将采集的曲轴图像信息做相关的图像处理并得到标准的二维曲轴测量图像，最终计算出曲轴的实际尺寸。 数据处理模块。该模块的功能是利用数据库技术将测量值与曲轴锻件的标准值做误差分析，判断被测曲轴锻件合格与否，并能够实现数据的保存与打印等功能3842。2.5.2 曲轴检测系统的工作原理曲轴检测系统的工作原理是，曲轴锻件放置在背景光源与ccd摄像机之间，由ccd采集曲轴图像，通过图像采集卡将曲轴图像传输到微机内进行处理。由于曲轴锻件的径向尺寸大，受光学系统的视场角影响，ccd无法一次性的将曲轴的整体图像采集下来。为此，设计了由步进电机驱动的丝杠传动机构，使ccd可以在丝杠的带动下沿丝杠的轴线方向做往返的进给运动，ccd每移动一步就对曲轴采集一次图像，在软件系统中将这些采集的曲轴图像片断经图像处理合成为一张完整的曲轴图像，再经过其他图像处理算法得到相关的尺寸测量数据。由于曲轴的外形特点，如果从一个方向进行图像采集只能得到部分的测量信息，因此我们设计了曲轴转动机构，通过步进电机的驱动使曲轴锻件可以沿自身轴线自由转动并可以停留在任意角度。以三缸曲轴锻件为例，它的三个轴颈之间所形成的相位角都是120，为了能够测量每个轴颈的尺寸，要求曲轴要转动两次以实现ccd的三次图像采集。ccd的进给运动和曲轴的旋转运动分别由x、y方向的两台步进电机驱动，布置方式如图2.13所示，步进电机的控制信号由数据采集卡提供。此外，为了判断ccd是否回到检测初始位置，我们还在系统中安装了位置传感器，当ccd移动到靠近x方向的电机时，位置传感器会向数据采集卡发出信号，经过软件系统处理再经过数据采集卡向x方向步进电机发出停止信号，以停止ccd的运动1518。这种设计方案以简单的结构实现了对较为复杂的运动方式的控制。采用步进电机为执行元件，利用步进电机精确的步进角以及没有误差积累的特性，满足了检测系统的精度要求。同时，利用高性能的数据采集卡提高了系统响应时间，保证了数据传输的完整性。2.6 本章小结本章介绍了尺寸测量技术的基本方法。着重对坐标机测量技术、超声波测量技术、激光测量技术和ccd测量技术做了分析和研究。通过对这些测量技术优缺点的比较，最终得出ccd测量技术比较适合曲轴检测的结论。叙述了ccd器件的工作原理，并提出自动检测的总体方案。 3非接触式曲轴轴颈检测仪结构设计3.1引言 功能要求是结构设计的依据，合理的结构设计是功能实现的必备条件。非接触式曲轴检测仪完全是依据曲轴检测过程中的各种要求和各项标准设计的，因此这个系统的硬件部分功能比较完善，结构合理，同时为微机系统能够得到精确、完整的图像信息提供了良好的基础。非接触式曲轴检测仪设计主要包括：工作台机械结构的设计，步进电机选择。非接触式曲轴测量仪的整体布局图如图3.1所示 图3.1 非接触式曲轴测量仪整体结构布局图1.支撑机构 2.旋转驱动机构 3.电机 4.齿轮 5.ccd进给机构3.2 支撑机构设计根据本课题的要求，支撑结构需要满足手动装夹、自动对中的功能。为了达到这样的要求，将装夹机构设计成一端夹紧，另一端支撑的结构。其中夹紧端设计成三角卡盘装夹，支架如图3.2所示。 图3.2 支架结构图为了满足不同长度的曲轴测量，支架的纵向设计有两个导轨。由于在工厂中曲轴的测量一般是批量进行的，因此在纵向使用人力驱动。纵向导轨上面是主要支撑部件，其不仅可以实现不同轴颈尺寸的支撑、旋转，而且可以完成对中。支撑部件的工作原理是，丝杠驱动两个带有轴承的丝杠螺母副运动，其中丝杠是从中间分开两边是相反螺旋线的。3.3 曲轴旋转机构设计本系统的曲轴定位方式采用人工装夹，自动定位的方法。由于曲轴安装在夹具上，不一定刚好位于检测的初始位置，因此要求系统能够自动的将曲轴定位在初始位置。曲轴检测初始位置的判断是由ccd在指定位置对曲轴进行拍照，每拍摄一张图像，曲轴便在步进电机的驱动下转动一个角度，在软件系统中这些图像将被逐一的和其相邻的两张图像进行比较，最终找到图像中曲轴上某指定点位于最高位置的图像，这张图像就是曲轴刚好处于检测初始位置的图像。这时软件系统会向步进电机下达反向转动一步的指令，从而使曲轴定位在初始位置上。此外，由于曲轴在不同角度上都有要测量的数据，因此，要求曲轴可以绕自身轴线转动。以上这些功能对结构设计提出了要求。要实现曲轴的精确定位，如果靠步进电机直接驱动曲轴转动，由于受步进电机步进角的影响，精度上达不到要求，这样就需要设计大传动比的机构以减小曲轴每步的转动角度。此外，由于步进电机的转速较高，而曲轴的转动惯量较大，会出现曲轴不平稳的现象。从这两个角度来考虑，在步进电机与曲轴之间设计安装了减速器。同时，利用一个三抓卡盘将曲轴的一端夹紧，另一端自由支撑在一